JPH09223825A - Piezoelectric application element - Google Patents

Piezoelectric application element

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JPH09223825A
JPH09223825A JP3038596A JP3038596A JPH09223825A JP H09223825 A JPH09223825 A JP H09223825A JP 3038596 A JP3038596 A JP 3038596A JP 3038596 A JP3038596 A JP 3038596A JP H09223825 A JPH09223825 A JP H09223825A
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JP
Japan
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elastic body
layer
piezoelectric
electrode
sputtering
Prior art date
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JP3038596A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Muramatsu
研一 村松
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Publication of JPH09223825A publication Critical patent/JPH09223825A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent any oxide film from being formed between an elastic body and an electro mechanical conversion element, by interposing between the elastic body and the electromechanical conversion element an electrode made of a high-melting-point metal hard to be oxidized, a high-melting-point nobel metal or their alloy. SOLUTION: Arranging continuously many protruding portions 3a on the edge portion of one surface side of an annular elastic body 3, on the other surface side thereof, a lower electrode 5a comprising a Ta layer and Pt layer is formed by sputtering. On the lower electrode 5a, a piezoelectric material layer 4 made of lead titanate zirconate is formed by sputtering. On the surface of the piezoelectric material layer 4, an upper electrode 5b comprising a Ta layer and Pt layer which is divided into many portions in its circumferential direction is formed by sputtering. When the electrode 5a is made of such a high-melting-point metal hard to be oxidized as nickel, chrome and cobalt, such a high-melting-point nobel metal as platinum and palladium or their alloy, suppressing the generated oxidation quantity of the electrode 5a by its heat treatment, any oxide film can be prevented from being formed between the elastic body 3 and the electromechanical conversion element 4, 5b.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換素子
が表面に形成された弾性体を備える圧電応用素子に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric device having an electromechanical transducer having an elastic body formed on a surface thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、振動アクチュエータ等のアクチュ
エータ,メカニカルフィルターさらにはジャイロといっ
た圧電効果を利用した圧電応用素子を構成する弾性体の
表面に、例えば圧電素子,磁歪素子さらには電歪素子と
いった電気機械変換素子を形成するには、電気機械変換
素子を、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からな
る別部品により薄板状に形成しておき、形成した電気機
械変換素子を弾性体の表面に例えば接着により貼付して
いた。
2. Description of the Related Art Conventionally, an electric machine such as a piezoelectric element, a magnetostrictive element or an electrostrictive element is formed on the surface of an elastic body which constitutes a piezoelectric application element utilizing a piezoelectric effect such as an actuator such as a vibration actuator, a mechanical filter or a gyro. In order to form the conversion element, the electromechanical conversion element is formed into a thin plate by a separate part made of, for example, lead zirconate titanate (PZT), and the formed electromechanical conversion element is bonded to the surface of the elastic body, for example. It was pasted by.

【0003】しかし、このように電気機械変換素子を弾
性体の表面に貼付する場合、製造技術上の制約から、電
気機械変換素子の厚さをある所定値以下に小さくするこ
とができない。そのため、前述の圧電応用素子の出力を
所望の値に確保するためには、高い駆動電圧を印加する
必要があり、このために装置全体の小型化を計ることが
難しかった。
However, when the electromechanical conversion element is attached to the surface of the elastic body as described above, the thickness of the electromechanical conversion element cannot be reduced to a predetermined value or less due to restrictions in manufacturing technology. Therefore, in order to secure the output of the above-mentioned piezoelectric application element at a desired value, it is necessary to apply a high driving voltage, which makes it difficult to downsize the entire device.

【0004】そこで、例えば特開昭63−28279号
公報には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子を、
蒸着,スパッタリング等の薄膜形成技術により弾性体表
面に薄膜状に成膜した振動アクチュエータが提案されて
いる。
Therefore, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-28279 discloses a piezoelectric element made of lead zirconate titanate.
A vibration actuator has been proposed in which a thin film is formed on the surface of an elastic body by a thin film forming technique such as vapor deposition or sputtering.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、弾性体の表
面に薄膜形成技術により薄膜状に成膜された電気機械変
換素子が圧電特性を有するためには、チタン酸ジルコン
酸鉛を用いて圧電素子を構成する場合には、チタン酸ジ
ルコン酸鉛の結晶構造をペロブスカイト型とする必要が
ある。
By the way, in order that the electromechanical conversion element formed into a thin film on the surface of the elastic body by the thin film forming technique has piezoelectric characteristics, lead zirconate titanate is used for the piezoelectric element. In the case of constructing, the crystal structure of lead zirconate titanate needs to be a perovskite type.

【0006】すなわち、薄膜形成技術により電気機械変
換素子を形成するには、通常は、高温域で薄膜を成膜す
るか、又は低温域で非晶質の薄膜を成膜した後に熱処理
を行うが、この際の成膜温度や熱処理温度の高低によっ
て、得られる結晶構造が著しく異なる。
That is, in order to form an electromechanical conversion element by the thin film forming technique, usually, a thin film is formed in a high temperature region or an amorphous thin film is formed in a low temperature region and then heat treatment is performed. The obtained crystal structure remarkably differs depending on the film forming temperature and the heat treatment temperature.

【0007】図12には、成膜温度又は熱処理温度の違
いに基づく結晶構造の違いをグラフで示す。同図に示す
ように、熱処理温度が(室温〜300℃)程度又は熱処
理しないままでは殆どが非晶質となり、熱処理温度が4
00℃程度になると主にパイロクロア型となり、熱処理
温度が500℃程度になるとパイロクロア型とペロブス
カイト型の混在となり、さらに、熱処理温度が600℃
以上になると主にペロブスカイト型となる。
FIG. 12 is a graph showing a difference in crystal structure due to a difference in film forming temperature or heat treatment temperature. As shown in the figure, the heat treatment temperature is from about room temperature to 300 ° C., or almost without heat treatment, the heat treatment temperature is 4
When the temperature is around 00 ° C, it is mainly a pyrochlore type, and when the heat treatment temperature is around 500 ° C, the pyrochlore type and the perovskite type are mixed, and the heat treatment temperature is 600 ° C.
When it becomes above, it becomes a perovskite type mainly.

【0008】このように、成膜又は熱処理が高温域で行
われ結晶相が600℃以上の高温で形成された場合に
は、圧電性を有するペロブスカイト相だけが生成するも
のの、熱処理が低温域で行われ結晶相の形成が充分に高
い温度でなされなかった場合には、ペロブスカイト相と
ともに、圧電性を全く有さないパイロクロア相も生成し
てしまう。
As described above, when the film formation or heat treatment is performed in a high temperature range and the crystal phase is formed at a high temperature of 600 ° C. or higher, only the perovskite phase having piezoelectricity is generated, but the heat treatment is performed in a low temperature range. If it is carried out and the formation of the crystal phase is not carried out at a sufficiently high temperature, a pyrochlore phase having no piezoelectric property is generated together with the perovskite phase.

【0009】そのため、薄膜形成技術によって形成され
た電気機械変換素子が圧電性を有するためには、圧電体
層の形成を、例えば600℃以上の高温域で行うか、低
温で成膜された薄膜層に、例えば600℃以上の高温域
で熱処理を施すことが必要となる。
Therefore, in order for the electromechanical conversion element formed by the thin film forming technique to have piezoelectricity, the piezoelectric layer is formed in a high temperature region of, for example, 600 ° C. or higher, or a thin film formed at a low temperature. It is necessary to subject the layer to heat treatment in a high temperature range of, for example, 600 ° C. or higher.

【0010】また、使われている電気機械変換素子の殆
どのものが、印加電界当たりの変位量が大きいことか
ら、チタン酸ジルコン酸鉛に代表されるように鉛系の酸
化物材料であり、陽イオンの半分近くが還元され易い鉛
イオンである。そのため、例えば600℃以上の高温域
で相の形成がなされた後に熱処理を行う場合にも、雰囲
気は酸素に富んだ状態である。
Further, most of the electromechanical transducers used are lead-based oxide materials as typified by lead zirconate titanate because the displacement amount per applied electric field is large. Nearly half of the cations are lead ions, which are easily reduced. Therefore, for example, even when the heat treatment is performed after the phase is formed in a high temperature region of 600 ° C. or higher, the atmosphere is rich in oxygen.

【0011】そのため、弾性体にステンレス鋼等の鉄系
の合金を用いる場合には、例えば600℃以上の高温域
で成膜や熱処理を行うことは、弾性体表面が酸化された
り、電気機械変換素子と弾性体との間で酸素原子や鉛原
子の拡散等の物質移動に代表される化学反応が起こる可
能性が高い。このような化学反応により、弾性体の表面
に酸化層が形成されたり、弾性体や電気機械変換素子の
界面付近での化学組成が変化することにより、圧電特性
が低下したり、電気機械変換素子と弾性体との密着強度
が著しく低下してしまうおそれがあった。
Therefore, when an iron-based alloy such as stainless steel is used for the elastic body, if the film formation or heat treatment is performed in a high temperature range of, for example, 600 ° C. or higher, the surface of the elastic body is oxidized or electromechanical conversion is performed. There is a high possibility that a chemical reaction represented by mass transfer such as diffusion of oxygen atoms or lead atoms occurs between the element and the elastic body. Due to such a chemical reaction, an oxide layer is formed on the surface of the elastic body, or the chemical composition near the interface between the elastic body and the electromechanical conversion element is changed, so that the piezoelectric characteristics are deteriorated or the electromechanical conversion element is reduced. There is a possibility that the adhesion strength between the elastic body and the elastic body is significantly reduced.

【0012】さらに、弾性体に生じる2つの固有振動数
を一致させるために、電気機械変換素子の弾性率や密
度,さらには形状を正確に把握して計算を行う必要があ
る。しかし、電気機械変換素子を別部品として貼付する
ことによる従来の技術では、弾性体と電気機械変換素子
との間に不可避的に存在してしまう接着層の影響を受け
るため、前述の計算値に誤差を生じてしまい、正確に周
波数を一致させることができなかった。
Further, in order to match the two natural frequencies generated in the elastic body, it is necessary to accurately grasp the elastic modulus and density of the electromechanical conversion element, and further to calculate. However, in the conventional technology in which the electromechanical conversion element is attached as a separate component, the adhesive layer that is inevitably present between the elastic body and the electromechanical conversion element affects the calculated value. There was an error, and the frequencies could not be matched exactly.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、薄膜形成技術
により電気機械変換素子が表面に形成された弾性体を備
える圧電応用素子であって、前記弾性体と前記圧電応用
素子との間に、高融点であって酸化し難い金属,高融点
の貴金属又はこれらの合金からなる電極を配置したこと
を特徴とする。
The present invention relates to a piezoelectric applied element having an elastic body on the surface of which an electromechanical conversion element is formed by a thin film forming technique, and the piezoelectric applied element is provided between the elastic body and the piezoelectric applied element. An electrode made of a metal having a high melting point and difficult to oxidize, a noble metal having a high melting point, or an alloy thereof is arranged.

【0014】上記の本発明における「薄膜形成技術」と
は、蒸着,スパッタリング,CVDさらにはゾルゲル法
等の機能性薄膜の形成技術をいう。形成される薄膜の厚
さは、1μm程度であり、従来の電気機械変換素子の厚
さに比較すると1/100以下である。
The above-mentioned "thin film forming technique" in the present invention refers to a technique for forming a functional thin film such as vapor deposition, sputtering, CVD and sol-gel method. The thin film formed has a thickness of about 1 μm, which is 1/100 or less of the thickness of the conventional electromechanical transducer.

【0015】本発明における「電気機械変換素子」と
は、圧電素子,磁歪素子さらには電歪素子等を包含す
る。さらに、本発明における「高融点で酸化し難い金
属」とはニッケル,クロム,コバルト等をいい、「高融
点の貴金属」とは白金,レニウム,ロジウム,パラジウ
ム等をいう。
The "electromechanical conversion element" in the present invention includes a piezoelectric element, a magnetostrictive element, an electrostrictive element and the like. Further, in the present invention, "metal having a high melting point and difficult to oxidize" means nickel, chromium, cobalt, etc., and "noble metal having a high melting point" means platinum, rhenium, rhodium, palladium and the like.

【0016】すなわち、鉄,アルミニウムさらには銅等
の低融点の金属原子は、高温環境下では、極めて酸素原
子と結合して酸化し易い。しかも、これらの原子は低融
点であるためにペロブスカイト相が安定に生成するよう
な高温域では、極めて容易に原子の拡散が起こり易い。
That is, metal atoms having a low melting point, such as iron, aluminum, and copper, are extremely likely to combine with oxygen atoms and oxidize in a high temperature environment. Moreover, since these atoms have a low melting point, the diffusion of atoms is extremely easy to occur in a high temperature range where a perovskite phase is stably generated.

【0017】したがって、これらの金属、又はこれらの
金属を多く含有する合金により電極を構成し、その表面
にペロブスカイト型のように高温で安定な電気機械変換
素子を形成することは、特にそれがチタン酸ジルコン酸
鉛のような鉛系酸化物である場合には、還元環境下での
処理が不可能であり、しかも電気機械変換素子自体も酸
化物であるために電極の酸化を避けることができないた
め、極めて難しい。
Therefore, forming an electrode from these metals or an alloy containing a large amount of these metals, and forming an electromechanical conversion element stable at high temperature such as a perovskite type on the surface thereof is particularly effective when it is made of titanium. In the case of lead-based oxides such as lead zirconate oxide, treatment in a reducing environment is impossible, and since the electromechanical conversion element itself is an oxide, oxidation of the electrodes cannot be avoided. Therefore, it is extremely difficult.

【0018】さらに、熱処理時には、電極の原子は極め
て拡散し易い状態にあり、しかも電気機械変換素子中の
鉛原子も極めて低融点であるため、電気機械変換素子か
ら弾性体への鉛原子の拡散も避けることができない。
Further, during the heat treatment, the atoms of the electrode are in a state of being easily diffused, and the lead atoms in the electromechanical conversion element also have an extremely low melting point. Therefore, diffusion of lead atoms from the electromechanical conversion element to the elastic body is performed. Can't be avoided.

【0019】弾性体表面,又は弾性体と電気機械変換素
子との界面における酸化膜の生成は、電気機械変換素子
と弾性体との付着強度を低下させ、電気機械変換素子を
剥離させ易くするものであり、特に高温域での生成で
は、酸化した弾性体表面上には電気機械変換素子は殆ど
付着しない。
The formation of an oxide film on the surface of the elastic body or at the interface between the elastic body and the electromechanical conversion element reduces the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body, and facilitates the peeling of the electromechanical conversion element. In particular, the electromechanical conversion element hardly adheres to the surface of the elastic body that has been oxidized, especially when it is generated in a high temperature range.

【0020】また、弾性体と電気機械変換素子との界面
における弾性体酸化層の形成,弾性体中への鉛原子の拡
散による拡散層の形成、さらには前述の拡散層の形成に
よる界面近傍での電気機械変換素子中の鉛欠乏層の形成
等といったように、弾性体と電気機械変換素子との間
に、電極以外の低誘電率の誘電体層が形成されること
は、結果的に圧電効果を著しく阻害することになる。
Further, an elastic oxide layer is formed at the interface between the elastic body and the electromechanical conversion element, a diffusion layer is formed by diffusing lead atoms into the elastic body, and the diffusion layer is formed in the vicinity of the interface. The formation of a low dielectric constant dielectric layer other than the electrode between the elastic body and the electromechanical conversion element, such as the formation of a lead deficient layer in the electromechanical conversion element, results in the piezoelectric element. The effect will be significantly impaired.

【0021】これに対し、電極がニッケル,クロム,コ
バルト等の高融点で酸化し難い金属,又は白金,レニウ
ム,ロジウム,パラジウム等の融点の高い貴金属、さら
にそれらの合金からなる場合には、高温での成膜でも表
面に酸化層ができ難いため、弾性体と電気機械変換素子
との間に拡散層等が形成され難く、また熱処理時にも弾
性体と圧電素子との間で物質拡散が起こり難いため、そ
れにより圧電効果が阻害されるおそれもない。
On the other hand, when the electrode is made of a metal such as nickel, chromium or cobalt which has a high melting point and is difficult to oxidize, or a noble metal having a high melting point such as platinum, rhenium, rhodium or palladium, or an alloy thereof, high temperature is used. Since it is difficult to form an oxide layer on the surface even in the case of film formation, it is difficult to form a diffusion layer or the like between the elastic body and the electromechanical conversion element, and also during heat treatment, substance diffusion occurs between the elastic body and the piezoelectric element. Since it is difficult, there is no fear that the piezoelectric effect will be hindered.

【0022】このように、本発明にかかる圧電応用素子
では、弾性体と電気機械変換素子との間に配置される電
極が、高融点であって酸化し難い金属,高融点の貴金属
又はこれらの合金により形成されるため、熱処理による
電極の酸化量が抑制されて弾性体と電気機械変換素子と
の間に酸化膜が形成され難くなる。
As described above, in the piezoelectric applied element according to the present invention, the electrode arranged between the elastic body and the electromechanical conversion element is a metal having a high melting point and difficult to oxidize, a noble metal having a high melting point, or these metals. Since it is formed of an alloy, the amount of oxidation of the electrode due to heat treatment is suppressed, and it becomes difficult to form an oxide film between the elastic body and the electromechanical conversion element.

【0023】また、熱処理により弾性体から電気機械変
換素子へ電極構成原子が本発明の電極に遮断されて、拡
散する量が少なくなって、弾性体と電気機械変換素子と
の間に拡散層が形成され難くなる。
Further, by heat treatment, the electrode constituent atoms are blocked from the elastic body to the electromechanical conversion element by the electrode of the present invention, the amount of diffusion is reduced, and a diffusion layer is formed between the elastic body and the electromechanical conversion element. It becomes difficult to be formed.

【0024】さらに、従来の電気機械変換素子の厚さの
1/100以下になるとともに接着層を介在しないた
め、接着層による振動吸収層が存在せず、固有振動数の
計算の際の誤差分が低減される。
Further, since the thickness of the conventional electromechanical transducer is 1/100 or less and the adhesive layer is not interposed, the vibration absorbing layer due to the adhesive layer does not exist, and the error component in the calculation of the natural frequency is not included. Is reduced.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(第1実施形態)以下、本発明を添付図面を参照しなが
ら、さらに詳細に説明する。
(First Embodiment) The present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings.

【0026】図1は、本発明を振動アクチュエータの一
例である超音波アクチュエータに適用した第1実施形態
を示す分解斜視図であり、図2は、第1実施形態におい
て、上部電極が形成された弾性体を示す平面図である。
図1に示すように、一方の平面側の縁部に多数の凸部3
aが連設された円環状の弾性体3について、他方の平面
側に、Ta層及びPt層からなる下部電極5aがスパッ
タリングにより形成され、この下部電極5aの上に、チ
タン酸ジルコン酸鉛(PZT)の圧電体層4がスパッタ
リングにより形成される。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment in which the present invention is applied to an ultrasonic actuator which is an example of a vibration actuator, and FIG. 2 shows an upper electrode formed in the first embodiment. It is a top view which shows an elastic body.
As shown in FIG. 1, a large number of convex portions 3 are formed on the edge portion on one plane side.
A lower electrode 5a composed of a Ta layer and a Pt layer is formed by sputtering on the other flat surface side of the annular elastic body 3 in which a is continuously provided, and lead zirconate titanate ( A piezoelectric layer 4 of PZT) is formed by sputtering.

【0027】この圧電体層4の表面には、図2に示すよ
うに、円周方向に多数分割されたTa層及びPt層から
なるからなる上部電極5bがスパッタリングにより形成
される。
On the surface of the piezoelectric layer 4, as shown in FIG. 2, an upper electrode 5b composed of a Ta layer and a Pt layer divided in the circumferential direction is formed by sputtering.

【0028】なお、Ta層は、Pt層と基板との付着強
度を充分に確保するために形成する。Ta層自体も基板
との反応が発生し難い物質であり、電極の構成材料にな
り得る。しかし、酸化し易いためにTa層の上に直接的
にPZTからなる圧電体層4を設けると、PZTからな
る圧電体層4中の酸素を吸い取るおそれがある。
The Ta layer is formed in order to secure sufficient adhesion strength between the Pt layer and the substrate. The Ta layer itself is also a substance that hardly reacts with the substrate and can be a constituent material of the electrode. However, if the piezoelectric layer 4 made of PZT is provided directly on the Ta layer because it is easily oxidized, oxygen in the piezoelectric layer 4 made of PZT may be absorbed.

【0029】弾性体3の一方の平面に、スパッタリング
法によりTa層及びPt層からなる下部電極5aを形成
する条件を以下に列記する。 (Ta層)Taターゲットを用い、RFスパッタ法によ
り以下の条件でスパッタリングを行った。
The conditions for forming the lower electrode 5a composed of the Ta layer and the Pt layer on one plane of the elastic body 3 by the sputtering method are listed below. (Ta layer) Using a Ta target, sputtering was performed by the RF sputtering method under the following conditions.

【0030】RFパワー:1.5W/cm2 スパッタガス:Arガス 1Pa スパッタ時間:10分間 基板温度:200℃RF power: 1.5 W / cm 2 Sputtering gas: Ar gas 1 Pa Sputtering time: 10 minutes Substrate temperature: 200 ° C.

【0031】(Pt層)Ptターゲットを用い、RFス
パッタ法により以下の条件でスパッタリングを行った。
(Pt layer) Using a Pt target, sputtering was performed by the RF sputtering method under the following conditions.

【0032】RFパワー:1.5W/cm2 スパッタガス:Arガス 1Pa スパッタ時間:30分間 基板温度:200℃RF power: 1.5 W / cm 2 Sputter gas: Ar gas 1 Pa Sputter time: 30 minutes Substrate temperature: 200 ° C.

【0033】この下部電極5aの膜厚は、約1μm程度
である。次に、下部電極5aの表面への圧電体層4につ
いて述べる。圧電体層4を形成する条件を以下に列記す
る。
The film thickness of the lower electrode 5a is about 1 μm. Next, the piezoelectric layer 4 on the surface of the lower electrode 5a will be described. The conditions for forming the piezoelectric layer 4 are listed below.

【0034】(PZT層)PbO:ZrO2 :TiO2
=1:0.5:0.5(モル比)からなるターゲットを
用い、RFスパッタ法により以下の条件でスパッタリン
グを行った。
(PZT layer) PbO: ZrO 2 : TiO 2
Sputtering was performed by the RF sputtering method under the following conditions, using a target of = 1: 0.5: 0.5 (molar ratio).

【0035】RFパワー:2W/cm2 スパッタガス:Ar/O2 =90/10,1Pa スパッタ時間:4時間 基板温度:600℃RF power: 2 W / cm 2 Sputtering gas: Ar / O 2 = 90/10, 1 Pa Sputtering time: 4 hours Substrate temperature: 600 ° C.

【0036】さらに、この圧電体層4の表面に矩形の平
面形状のTa層及びPt層からなる上部電極5bを、ス
パッタリングにより成膜した。また、この上部電極5b
はスパッタリングの際にマスキングを行って、図2に示
すように円周方向に多数分割された形で形成した。
Further, an upper electrode 5b made of a rectangular Ta layer and a Pt layer was formed on the surface of the piezoelectric layer 4 by sputtering. Also, this upper electrode 5b
Was masked during sputtering, and was formed into a plurality of circumferentially divided portions as shown in FIG.

【0037】弾性体3は、圧電体層4に図示しない駆動
電圧装置から上部電極5a及び上部電極5bを介して、
駆動電圧を印加されることにより、前述の凸部3aに進
行性振動波が発生する。
The elastic body 3 is formed on the piezoelectric layer 4 from a driving voltage device (not shown) via the upper electrode 5a and the upper electrode 5b.
When a drive voltage is applied, a progressive vibration wave is generated in the above-mentioned convex portion 3a.

【0038】このような弾性体3の前述した凸部3aに
対して、図示しない支持機構により回転自在に支持され
た円環状のロータ部材1がその一方の平面に貼付された
摺動材2を介して、加圧接触する。
An annular rotor member 1 rotatably supported by a support mechanism (not shown) is attached to one of the flat surfaces of the sliding member 2 on the above-mentioned convex portion 3a of the elastic body 3. Through pressure contact.

【0039】さらに、スパッタリングに伴う弾性体3の
変形を修正するため、弾性体3に対して研削加工及び研
磨加工を施した。この後、成膜した圧電体層4を完全な
ペロブスカイト層とするとともに加工歪を除去するた
め、650℃に5時間保持する熱処理を行った。
Further, in order to correct the deformation of the elastic body 3 due to sputtering, the elastic body 3 was subjected to grinding and polishing. After that, the formed piezoelectric layer 4 was made into a complete perovskite layer, and heat treatment was performed at 650 ° C. for 5 hours in order to remove processing strain.

【0040】なお、薄膜状に形成された下部電極5aの
縁部と上部電極5bとに、配線用の銅箔をそれぞれ接合
し、図示しない駆動電圧発生装置に接続した。その後
に、下部電極5a及び上部電極5bに、図2に示すよう
に隣接する電極同士で符号が逆になるように電圧を印加
することにより、圧電体層4の分極処理を大気中で行っ
た。
A copper foil for wiring was joined to the edge of the lower electrode 5a and the upper electrode 5b formed in a thin film, and connected to a drive voltage generator (not shown). After that, as shown in FIG. 2, a voltage is applied to the lower electrode 5a and the upper electrode 5b so that the adjacent electrodes have opposite signs, whereby the piezoelectric layer 4 is polarized in the atmosphere. .

【0041】このように構成された超音波アクチュエー
タにおいて、分極処理を施した圧電体層4に前述の駆動
電圧装置から入力A相と入力B相とで、π/2の位相差
を設けて交流電界を駆動電圧として印加すると、弾性体
3表面に進行波が発生して凸部3aに楕円運動が発生
し、この楕円運動によりロータ部材1が回転・駆動され
ることが確認された。
In the ultrasonic actuator configured as described above, the piezoelectric layer 4 subjected to the polarization treatment is provided with a phase difference of π / 2 between the input A phase and the input B phase from the driving voltage device described above, and the alternating current is applied. It has been confirmed that when an electric field is applied as a drive voltage, a traveling wave is generated on the surface of the elastic body 3 and an elliptic motion is generated in the convex portion 3a, and the elliptic motion rotates and drives the rotor member 1.

【0042】このようなロータ部材1の回転の際、圧電
体を貼付することにより形成される従来の超音波アクチ
ュエータに比較して、圧電特性が低下したり、電気機械
変換素子4と弾性体3との密着強度が低下することはな
かった。
When the rotor member 1 is rotated as described above, the piezoelectric characteristics are deteriorated or the electromechanical conversion element 4 and the elastic body 3 are reduced as compared with the conventional ultrasonic actuator formed by sticking a piezoelectric body. The adhesion strength with was not reduced.

【0043】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電体層
4が約1/500に薄膜化されたために、90%程度駆
動電圧を低下することができた。
Further, compared with the conventional ultrasonic actuator, in order to generate the same driving torque, the piezoelectric layer 4 is thinned to about 1/500, so that the driving voltage may be reduced by about 90%. did it.

【0044】(第2実施形態)図3は、本発明を振動ア
クチュエータの一例である超音波アクチュエータに適用
した第2実施形態を示す斜視図である。
(Second Embodiment) FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment in which the present invention is applied to an ultrasonic actuator which is an example of a vibration actuator.

【0045】本実施形態は、略述すれば、矩形平板状の
弾性体(板厚:3mm)の表面に形成された圧電素子に
駆動電圧を印加することにより、弾性体を励振して、弾
性体に縦1次振動モードと屈曲4次振動モードとを調和
的に発生させること(縮退)により、接触する固定部材
に対して弾性体を自走させるか、もしくは弾性体に接触
する移動体を駆動する超音波アクチュエータに適用した
実施形態である。
In brief, this embodiment excites the elastic body by applying a drive voltage to a piezoelectric element formed on the surface of a rectangular plate-shaped elastic body (plate thickness: 3 mm). By generating the longitudinal first-order vibration mode and the bending fourth-order vibration mode in the body in a harmony manner (degeneration), the elastic body is caused to self-propagate with respect to the contacting fixed member, or the moving body in contact with the elastic body is moved. It is an embodiment applied to a driven ultrasonic actuator.

【0046】図3において、矩形平板状の弾性体101
の表面に、スパッタリングによりTa層及びPt層から
なる下部電極103aを薄膜状に形成する。この厚さは
約10μm程度である。
In FIG. 3, a rectangular flat plate-like elastic body 101 is provided.
A lower electrode 103a composed of a Ta layer and a Pt layer is formed in a thin film on the surface of by sputtering. This thickness is about 10 μm.

【0047】さらに、下部電極103aの表面には圧電
体層102がスパッタリングにより形成され、さらに圧
電体層102の表面には、Ta層及びPt層からなる上
部電極103b,103cが形成される。圧電体層10
2の形成条件は、前述した第1実施形態と全く同様であ
り、上部電極103b,103cの厚さは0.1μm程
度である。
Further, the piezoelectric layer 102 is formed on the surface of the lower electrode 103a by sputtering, and the upper electrodes 103b and 103c made of Ta layer and Pt layer are formed on the surface of the piezoelectric layer 102. Piezoelectric layer 10
The formation condition of No. 2 is exactly the same as that of the first embodiment described above, and the thickness of the upper electrodes 103b and 103c is about 0.1 μm.

【0048】本実施形態では、圧電体層102の形成に
伴って、弾性体101の縦振動1次モードと屈曲振動4
次モードとの関係(共振周波数及び反共振周波数)にず
れが発生するため、二つの振動モードの共振周波数及び
反共振周波数を一致させるように、圧電体層102の形
成後に、弾性体101の長手方向の両端面に研削加工を
行って、前述のずれの調整を行った。
In this embodiment, as the piezoelectric layer 102 is formed, the first longitudinal mode of the elastic body 101 and the bending vibration 4 are generated.
Since the relationship (resonance frequency and anti-resonance frequency) with the next mode is deviated, the length of the elastic body 101 is increased after the piezoelectric layer 102 is formed so that the resonance frequency and the anti-resonance frequency of the two vibration modes match. The both ends in the direction were ground to adjust the above-mentioned deviation.

【0049】さらに、この研削加工による加工歪を除去
するとともに、圧電体層102の完全なペロブスカイト
化を図るため、第1実施形態と全く同様に、650℃に
5時間保持する熱処理を行った。
Further, in order to remove the processing strain due to the grinding process and to achieve complete perovskite formation of the piezoelectric layer 102, a heat treatment of holding at 650 ° C. for 5 hours was performed just as in the first embodiment.

【0050】このようにして形成された下部電極103
a及び上部電極103b,103cに対して、配線用の
銅箔を接合するため、各電極103a,103b及び1
03cにはんだ箔を接合した。ポーリングは第1実施形
態と同様の条件で大気中で行った。
The lower electrode 103 thus formed
a and copper electrodes for wiring are joined to the upper electrodes 103b and 103c, the electrodes 103a, 103b and 1
The solder foil was joined to 03c. The poling was performed in the atmosphere under the same conditions as in the first embodiment.

【0051】このような構成を有する超音波アクチュエ
ータにおいて、上部電極103bに交流電圧A相,上部
電極103bにA相と位相が90°異なる交流電圧B相
を印加すると、弾性体101の下面に突起状に形成され
た二つの駆動力取出部101a,101bの先端に楕円
運動が発生し、加圧接触される相対運動部材(不図示)
との間で相対運動を生じることができた。
In the ultrasonic actuator having such a structure, when an AC voltage A phase is applied to the upper electrode 103b and an AC voltage B phase having a phase difference of 90 ° from the A phase is applied to the upper electrode 103b, protrusions are formed on the lower surface of the elastic body 101. Relative movement member (not shown) in which elliptical movement is generated at the tips of the two driving force take-out portions 101a and 101b formed in a circular shape and contacted under pressure.
A relative movement could be generated between and.

【0052】この回転の際、圧電体を貼付することによ
り形成される従来の超音波アクチュエータに比較して、
圧電特性が低下したり、電気機械変換素子と弾性体との
密着強度が低下することはなかった。
At the time of this rotation, as compared with the conventional ultrasonic actuator formed by attaching a piezoelectric material,
The piezoelectric characteristics did not deteriorate, and the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body did not decrease.

【0053】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電体層
4が約1/500に薄膜化されたために、90%駆動電
圧を低下することができた。
Further, as compared with the conventional ultrasonic actuator, in order to generate the same driving torque, the piezoelectric layer 4 is thinned to about 1/500, so that the driving voltage can be reduced by 90%. It was

【0054】(第3実施形態)図4は、本発明の第3実
施形態の構成を示す斜視図である。本実施形態は、第2
実施形態と同様に構成される超音波アクチュエータにお
いて、高温環境下で使用するタイプに応用する例であ
る。
(Third Embodiment) FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the second
This is an example of application to a type used in a high temperature environment in an ultrasonic actuator configured similarly to the embodiment.

【0055】すなわち、本実施形態では、弾性体励振用
の圧電体層203として、キューリー温度Tcが490
℃にあり、高温環境下で使用しても分極処理の劣化が起
こり難いチタン酸鉛(PT)を選択した。
That is, in this embodiment, the Curie temperature Tc of the piezoelectric layer 203 for elastic body excitation is 490.
Lead titanate (PT), which is at a temperature of 0 ° C. and is less likely to cause deterioration of polarization treatment even when used in a high temperature environment, was selected.

【0056】弾性体201の一方の平面に、Ta層及び
Pt層からなる下部電極202がスパッタリングにより
形成されており、この下部電極202の表面にチタン酸
鉛からなる圧電素子相203が形成されており、さらに
その表面にTa層及びPt層からなる上部電極204
a,204bが形成される。上部電極204a,204
bはスパッタリングにより成膜される。
A lower electrode 202 made of a Ta layer and a Pt layer is formed on one plane of the elastic body 201 by sputtering, and a piezoelectric element phase 203 made of lead titanate is formed on the surface of the lower electrode 202. And an upper electrode 204 composed of a Ta layer and a Pt layer on the surface thereof.
a, 204b are formed. Upper electrodes 204a, 204
b is formed by sputtering.

【0057】本実施形態でも、チタン酸鉛からなる圧電
素子層203の形成に伴い、弾性体の縦1次振動モード
と屈曲4次振動モードとの関係にずれが生じるため、両
振動モードの共振周波数又は反共振周波数を一致させる
ように、圧電素子層203の形成後に弾性体201の加
工を行った。
Also in the present embodiment, the relationship between the longitudinal first-order vibration mode and the bending fourth-order vibration mode of the elastic body is deviated due to the formation of the piezoelectric element layer 203 made of lead titanate, so that resonance of both vibration modes is generated. The elastic body 201 was processed after the piezoelectric element layer 203 was formed so that the frequencies or the antiresonance frequencies were matched.

【0058】さらに、この加工による加工歪を除去する
とともに、チタン酸鉛層の完全なペロブスカイト化を図
るため、第1実施形態と同様に650℃に5時間保持す
る熱処理を行った。また、上部電極204a,204
b,下部電極202に対し、配線用の銅箔を接合するた
めに、電極にはんだ箔を接合し、リフロー式はんだ付け
炉中で400℃の熱処理を行った。ポーリングは第1実
施形態及び第2実施形態と同様に、大気中で行った。
Further, in order to remove the processing strain due to this processing and to achieve complete perovskite conversion of the lead titanate layer, heat treatment was carried out at 650 ° C. for 5 hours as in the first embodiment. In addition, the upper electrodes 204a, 204
b. In order to bond a copper foil for wiring to the lower electrode 202, a solder foil was bonded to the electrode and heat treatment was performed at 400 ° C. in a reflow soldering furnace. The polling was performed in the air, as in the first and second embodiments.

【0059】本実施形態の超音波アクチュエータにおい
ても、上部電極204aに交流電圧A相,上部電極20
4bにA相と位相が90度異なる交流電圧B相を実効電
圧で±10V印加したところ、弾性体201の突起部2
01a,201bの先端に楕円運動を発生し、駆動する
ことが確認された。
Also in the ultrasonic actuator of the present embodiment, the AC voltage A phase and the upper electrode 20 are applied to the upper electrode 204a.
An AC voltage B phase having a phase difference of 90 degrees from that of the A phase is applied to 4b at an effective voltage of ± 10 V.
It was confirmed that an elliptic motion was generated at the tips of 01a and 201b to drive them.

【0060】この駆動の際、圧電体を貼付することによ
り形成される従来の超音波アクチュエータに比較して、
圧電特性が低下したり、電気機械変換素子と弾性体との
密着強度が著しく低下することはなかった。
At the time of this driving, as compared with a conventional ultrasonic actuator formed by sticking a piezoelectric material,
The piezoelectric characteristics were not deteriorated, and the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body was not significantly decreased.

【0061】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電体層
203が約1/500に薄膜化されたために、90%程
度駆動電圧を低下することができた。
Further, as compared with the conventional ultrasonic actuator, in order to generate the same driving torque, the piezoelectric layer 203 is thinned to about 1/500, so that the driving voltage may be reduced by about 90%. did it.

【0062】(第4実施形態)図5は、本発明の第4実
施形態の構成を示す説明図であり、図5(A)は斜視
図,図5(B)は図5(A)のa−a断面図,図5
(C)は図5(A)のb−b断面図である。
(Fourth Embodiment) FIG. 5 is an explanatory view showing the structure of a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 (A) is a perspective view and FIG. 5 (B) is that of FIG. 5 (A). aa sectional view, FIG.
(C) is a bb sectional view of FIG.

【0063】本実施形態は、円柱状の弾性体の両端もし
くは一端を、圧電素子によって二次元的に加振すること
により、弾性体上に駆動面が回転しながら進行する進行
性振動波を発生させ、それによって弾性体に加圧接触し
ている移動子に直進運動と回転運動との両方を同時に与
える超音波アクチュエータに適用したものである。
In this embodiment, a piezoelectric element is used to two-dimensionally vibrate both ends or one end of a columnar elastic body to generate a progressive vibration wave on the elastic body, which travels while the drive surface rotates. The present invention is applied to an ultrasonic actuator that simultaneously gives both a linear motion and a rotary motion to a moving element that is in pressure contact with an elastic body.

【0064】図5に示すように、弾性体301の両端で
励振を行う円筒状の圧電素子においてスパッタリングに
より圧電素子の形成を行った。この超音波アクチュエー
タは、弾性体301の両端に圧電素子302,303が
形成されており、さらにそれらの圧電素子302,30
3はそれぞれ固定子304,305に固定される。弾性
体301の外周面には、円筒状の移動子306が加圧接
触する。
As shown in FIG. 5, the piezoelectric element was formed by sputtering in a cylindrical piezoelectric element which is excited at both ends of the elastic body 301. In this ultrasonic actuator, piezoelectric elements 302 and 303 are formed at both ends of an elastic body 301, and the piezoelectric elements 302 and 30 are further formed.
3 is fixed to the stators 304 and 305, respectively. A cylindrical moving element 306 is brought into pressure contact with the outer peripheral surface of the elastic body 301.

【0065】ここで、円筒形の弾性体301の両端部3
01a,301bの表面には、Ta層及びPt層からな
る下部電極302a,302bがスパッタリングにより
薄膜状に形成され、下部電極302a,302bの表面
には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層303
a,303bが形成され、さらに圧電素子層303a,
303bの上には円周方向に4分割された上部銀電極3
04a1,304a2,304a3,304a4及び3
04b1,304b2,304b3,304b4が形成
される。
Here, both end portions 3 of the cylindrical elastic body 301
On the surfaces of the electrodes 01a and 301b, lower electrodes 302a and 302b made of Ta and Pt layers are formed in a thin film by sputtering, and on the surfaces of the lower electrodes 302a and 302b, a piezoelectric element layer 303 made of lead zirconate titanate is formed.
a, 303b are formed, and the piezoelectric element layers 303a, 303a,
The upper silver electrode 3 is divided into four in the circumferential direction on 303b.
04a1, 304a2, 304a3, 304a4 and 3
04b1, 304b2, 304b3, 304b4 are formed.

【0066】チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
303a,303bの形成条件は、第1実施形態と同様
である。また、上部銀電極304a1〜304a4,3
04b1〜304b4の形成については、スクリーン印
刷により行った。
The conditions for forming the piezoelectric element layers 303a and 303b made of lead zirconate titanate are the same as those in the first embodiment. In addition, the upper silver electrodes 304a1 to 304a4, 3
The formation of 04b1 to 304b4 was performed by screen printing.

【0067】各電極への配線処理は、はんだ付けにより
行った。さらに、分極処理は大気中で行った。このよう
な構成を有する超音波アクチュエータにおいて、一方の
圧電素子303aの電極304a1,304a2,30
4a3,304a4に、左記の順番で隣合う電極間の位
相差がπ/2になるように実効電圧で±5Vの交流電界
を駆動電圧として印加したところ、圧電素子303aは
首振り運動を行うことが確認された。
Wiring to each electrode was performed by soldering. Further, the polarization treatment was performed in the atmosphere. In the ultrasonic actuator having such a configuration, the electrodes 304a1, 304a2, 30 of one piezoelectric element 303a are
When an AC electric field of ± 5 V with an effective voltage is applied as a drive voltage to 4a3 and 304a4 so that the phase difference between adjacent electrodes becomes π / 2 in the order shown on the left, the piezoelectric element 303a performs a swinging motion. Was confirmed.

【0068】このような首振り運動で、しかも圧電素子
303aのそれに対してπ/2の位相差を有する運動を
圧電素子303bにおいても行ったところ、弾性体30
1に振動面を回転させながら進行する進行性振動波が発
生し、これにより移動子306が回転しながら直進する
ことが確認された。
When such a oscillating motion and also a motion having a phase difference of π / 2 with respect to that of the piezoelectric element 303a are also performed in the piezoelectric element 303b, the elastic body 30
It was confirmed that a progressive vibration wave that progresses while rotating the vibrating surface is generated in No. 1 and that the moving element 306 moves straight while rotating.

【0069】また、本実施形態において、電極304a
1,304a3及び304b1,304b3のみに入力
電圧を印加した場合、もしくは電極304a2,304
a4及び304b2,304b4にのみ電圧を印加した
場合には、弾性体301上には振動面を回転させないで
進行する通常の進行性振動波が発生し、移動子306は
直進運動のみを行うことが確認された。さらに、圧電素
子302aのみで弾性体を励振し、圧電素子302bで
進行波を吸収するようにしたところ、同様の運動が認め
られた。
Further, in the present embodiment, the electrode 304a
1, 304a3 and 304b1, 304b3 only when the input voltage is applied, or the electrodes 304a2, 304
When a voltage is applied only to a4 and 304b2 and 304b4, a normal progressive vibration wave that proceeds without rotating the vibrating surface is generated on the elastic body 301, and the mover 306 can perform only a rectilinear motion. confirmed. Furthermore, when the elastic body was excited only by the piezoelectric element 302a and the traveling wave was absorbed by the piezoelectric element 302b, similar movement was observed.

【0070】この回転の際、圧電体を貼付することによ
り形成される従来の超音波アクチュエータに比較して、
圧電特性が低下したり、電気機械変換素子と弾性体との
密着強度が著しく低下することはなかった。
At the time of this rotation, as compared with the conventional ultrasonic actuator formed by sticking a piezoelectric body,
The piezoelectric characteristics were not deteriorated, and the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body was not significantly decreased.

【0071】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電体層
302a,302bが約1/500に薄膜化されたため
に、90%駆動電圧を低下することができた。
Further, as compared with the conventional ultrasonic actuator, in order to generate the same driving torque, the piezoelectric layers 302a and 302b are thinned to about 1/500, and therefore the driving voltage must be reduced by 90%. I was able to.

【0072】(第5実施形態)図6は、本発明の第5実
施形態を示す分解斜視図である。本実施形態は、円環状
の弾性体の面内屈曲振動のうちの非軸対称屈曲振動を発
生し、内周縁部にテーパを有する振動子401と,この
振動子401の内周縁部のテーパを介して接触する回転
子402とを備える超音波アクチュエータである。
(Fifth Embodiment) FIG. 6 is an exploded perspective view showing a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a non-axisymmetric bending vibration of the in-plane bending vibration of the annular elastic body is generated, and the vibrator 401 having a taper on the inner peripheral edge portion and the taper on the inner peripheral edge portion of the vibrator 401 are formed. An ultrasonic actuator including a rotor 402 that is in contact therewith.

【0073】ここで、振動子401は、円環型の弾性体
401aの両面にスパッタリングにより形成されたTa
層及びPt層からなる下部電極401bと,この下部電
極401bの表面にスパッタリングにより形成されたチ
タン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層401c,40
1dと,さらにそのそれぞれの表面にスパッタリングに
より円周方向に4分割されて形成されたTa層及びPt
層からなる上部電極401e1,401e2,401e
3,401e4及び401f1,401f2,401f
3,401f4という構成からなる。各圧電素子層の形
成条件は、第1実施形態と同様である。
Here, the vibrator 401 is a Ta formed by sputtering on both surfaces of a ring-shaped elastic body 401a.
Electrode 401b composed of a Pt layer and a Pt layer, and piezoelectric element layers 401c and 40 composed of lead zirconate titanate formed on the surface of the lower electrode 401b by sputtering.
1d, and a Ta layer and Pt formed on each surface by sputtering in a circumferentially divided manner
Upper electrodes 401e1, 401e2, 401e composed of layers
3, 401e4 and 401f1, 401f2, 401f
3, 401f4. The conditions for forming each piezoelectric element layer are the same as in the first embodiment.

【0074】このようにして形成された電極401e1
〜401e4及び401f1〜401f4に対し、配線
用の銅箔を接合するために、電極と銅箔との間にはんだ
箔を挟み、加圧した状態で高周波炉中で400℃の熱処
理を行った。
The electrode 401e1 thus formed
To 401e4 and 401f1 to 401f4, in order to join a copper foil for wiring, a solder foil was sandwiched between the electrode and the copper foil, and heat treatment was performed at 400 ° C. in a high-frequency furnace in a pressurized state.

【0075】その後、上部電極401e1〜401e
4,401f1〜401f4及び下部電極401bに、
図2に示すように隣接する電極同士で符号が逆向きにな
るように駆動電圧を印加することにより、圧電素子の分
極処理を大気中で行った。
After that, the upper electrodes 401e1 to 401e
4, 401f1 to 401f4 and the lower electrode 401b,
As shown in FIG. 2, by applying a driving voltage so that the signs of the adjacent electrodes are opposite to each other, the piezoelectric element was polarized in the atmosphere.

【0076】ここで、上部電極401e1,401e
2,401e3,401e4及び401f1,401f
2,401f3,401f4の2グループの電極群に、
左記の順番で隣合う電極間の位相差がπ/2になるよう
に実効電圧で±5Vの交流電界を駆動電圧として印加し
たところ、振動子401の内周面及び外周面に面内方向
に駆動面を有する進行性振動波が発生し、内周面に接触
する回転子が回転運動を行うことが確認された。
Here, the upper electrodes 401e1 and 401e
2, 401e3, 401e4 and 401f1, 401f
2, 401f3, 401f4 two electrode groups,
When an AC electric field of ± 5 V with an effective voltage was applied as a driving voltage so that the phase difference between the adjacent electrodes in the order shown on the left was π / 2, the in-plane direction was applied to the inner and outer peripheral surfaces of the vibrator 401. It was confirmed that a progressive vibration wave having a driving surface was generated and the rotor in contact with the inner peripheral surface made a rotational motion.

【0077】この回転の際、圧電素子を貼付することに
より形成される従来の超音波アクチュエータに比較し
て、圧電特性が低下したり、電気機械変換素子と弾性体
との密着強度が著しく低下することはなかった。
At the time of this rotation, compared with the conventional ultrasonic actuator formed by sticking a piezoelectric element, the piezoelectric characteristics are lowered and the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body is remarkably lowered. It never happened.

【0078】さらに、従来の超音波アクチュエータに比
較すると、同一の駆動トルクを発生するには、圧電体層
4が約1/500に薄膜化されたために、90%程度駆
動電圧を低下することができた。
Further, as compared with the conventional ultrasonic actuator, in order to generate the same driving torque, the piezoelectric layer 4 is thinned to about 1/500, so that the driving voltage may be reduced by about 90%. did it.

【0079】(第6実施形態)図7は、本発明の第6実
施形態を示す斜視図である。本実施形態は、圧電体の電
界印加方向の垂直方向の変位を利用したアクチュエータ
である。
(Sixth Embodiment) FIG. 7 is a perspective view showing a sixth embodiment of the present invention. The present embodiment is an actuator that utilizes displacement of a piezoelectric body in a direction perpendicular to an electric field application direction.

【0080】このアクチュエータは、弾性体501と,
弾性体501の表面にスパッタリングにより形成された
Ta層及びPt層からなる下部電極502と,下部電極
502上にスパッタリングにより形成されたチタン酸ジ
ルコン酸鉛からなる圧電素子503,及びその表面にス
パッタリングにより形成されたTa層及びPt層からな
る上部電極504という構成からなる。チタン酸ジルコ
ン酸鉛からなる圧電素子層の形成条件は、第1の実施形
態と同様である。なお、図中符号505は圧電素子50
3を保持する固定体である。
This actuator comprises an elastic body 501,
A lower electrode 502 made of a Ta layer and a Pt layer formed on the surface of the elastic body 501 by sputtering, a piezoelectric element 503 made of lead zirconate titanate formed on the lower electrode 502 by sputtering, and the surface thereof formed by sputtering. The upper electrode 504 is composed of the formed Ta layer and Pt layer. The conditions for forming the piezoelectric element layer made of lead zirconate titanate are the same as those in the first embodiment. In the figure, reference numeral 505 indicates the piezoelectric element 50.
It is a fixed body holding 3.

【0081】また、下部電極502及び上部電極504
に対して配線用の銅箔を接合するために、はんだ箔を接
合し、加圧した状態でリフロー式はんだ付け炉中で40
0℃の熱処理を行った。ポーリングは、第1の実施形態
と同様に大気中で行った。
Also, the lower electrode 502 and the upper electrode 504.
In order to join the copper foil for wiring to, the solder foil is joined and pressed in a reflow soldering furnace under pressure.
A heat treatment at 0 ° C. was performed. The polling was performed in the atmosphere as in the first embodiment.

【0082】ここで、上部電極504に電界を駆動電圧
として印加したところ、圧電素子層503の両方向の変
位により弾性体501の板状の部分が上下に変位するこ
とが確認された。
When an electric field was applied as a drive voltage to the upper electrode 504, it was confirmed that the plate-shaped portion of the elastic body 501 was vertically displaced by the displacement of the piezoelectric element layer 503 in both directions.

【0083】この回転の際、圧電素子を貼付することに
より形成される従来のアクチュエータに比較して、圧電
特性が低下したり、電気機械変換素子と弾性体との密着
強度が低下することはなかった。
At the time of this rotation, the piezoelectric characteristics are not deteriorated and the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body is not deteriorated as compared with the conventional actuator formed by attaching the piezoelectric element. It was

【0084】さらに、従来のアクチュエータに比較する
と、同一の駆動トルクを発生するには、圧電素子4が約
1/500に薄膜化されたために、90%程度駆動電圧
を低下することができた。
Further, as compared with the conventional actuator, in order to generate the same drive torque, the piezoelectric element 4 was thinned to about 1/500, so that the drive voltage could be reduced by about 90%.

【0085】(第7実施形態)図8は、本発明の第7実
施形態を示す斜視図である。本実施形態は、圧電体の電
界印加方向の垂直方向についての変位を利用したメカニ
カルフィルタ用振動子である。
(Seventh Embodiment) FIG. 8 is a perspective view showing a seventh embodiment of the present invention. The present embodiment is a mechanical filter vibrator that utilizes displacement of a piezoelectric body in a direction perpendicular to an electric field application direction.

【0086】本振動子は、弾性体601と,弾性体60
1の表面にスパッタリングにより形成されたTa層及び
Pt層からなる下部電極602と,下部電極602上に
スパッタリングにより形成されたチタン酸ジルコン酸鉛
からなる圧電素子層603及びその表面にスパッタリン
グにより形成されたTa層及びPt層からなる上部電極
604a,604bという構成からなる。
This oscillator is composed of an elastic body 601 and an elastic body 60.
1. A lower electrode 602 made of a Ta layer and a Pt layer formed on the surface of 1 by a sputtering, a piezoelectric element layer 603 made of lead zirconate titanate formed on the lower electrode 602 by a sputtering, and formed on the surface by sputtering. The upper electrodes 604a and 604b are composed of Ta and Pt layers.

【0087】チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子層
の形成条件は、第1の実施形態と同様である。また、上
部電極604a,上部電極604b,下部電極604
に、配線用の銅箔を接合し、加圧した状態でリフロー式
はんだ付け炉中で400℃の熱処理を行った。ポーリン
グは、第1実施形態と同様に大気中で行った。
The conditions for forming the piezoelectric element layer made of lead zirconate titanate are the same as those in the first embodiment. In addition, the upper electrode 604a, the upper electrode 604b, the lower electrode 604
Then, a copper foil for wiring was joined, and heat treatment was performed at 400 ° C. in a reflow type soldering furnace in a pressurized state. The polling was performed in the atmosphere as in the first embodiment.

【0088】ここで、上部電極604a,604bに交
流電界を駆動電圧として印加したところ、圧電素子層6
03の面方向の変位により弾性体601の板状の部分に
片持ち梁の共振が励振された。さらに、この片持ち梁の
共振振動により圧電素子層603の表面に誘起電荷が発
生することを利用して、上部電極604a,604bと
弾性体601から発生信号を検出したところ、信号は片
持ち梁の共振周波数に等しい周波数のサイン波であっ
た。このことから本振動子が、入力信号からある一定の
周波数の出力信号のみを取り出す周波数フィルタ(メカ
ニカルフィルタ用振動子)として機能することが確認さ
れた。
When an AC electric field was applied as a drive voltage to the upper electrodes 604a and 604b, the piezoelectric element layer 6
The cantilever resonance was excited in the plate-shaped portion of the elastic body 601 by the displacement of 03 in the plane direction. Furthermore, when the generated signal is detected from the upper electrodes 604a and 604b and the elastic body 601 by utilizing the fact that the induced vibration is generated on the surface of the piezoelectric element layer 603 by the resonance vibration of the cantilever, the signal is the cantilever. It was a sine wave with a frequency equal to the resonance frequency of. From this, it was confirmed that the present oscillator functions as a frequency filter (mechanical filter oscillator) that extracts only an output signal having a certain frequency from the input signal.

【0089】この振動の際、圧電素子を貼付することに
より形成される従来の周波数フィルタに比較して、圧電
特性が低下したり、電気機械変換素子と弾性体との密着
強度が低下することはなかった。
At the time of this vibration, as compared with the conventional frequency filter formed by attaching the piezoelectric element, the piezoelectric characteristics are deteriorated and the adhesion strength between the electromechanical conversion element and the elastic body is decreased. There wasn't.

【0090】さらに、従来の周波数フィルタに比較する
と、同一の駆動トルクを発生するには、圧電素子層4が
約1/500に薄膜化されたために、90%程度駆動電
圧を低下することができた。
Further, as compared with the conventional frequency filter, in order to generate the same driving torque, the piezoelectric element layer 4 is thinned to about 1/500, so that the driving voltage can be reduced by about 90%. It was

【0091】(第8実施形態)図9は、本発明の第8実
施形態を示す斜視図であり、本発明を振動角速度計に適
用した一例の基本構成を示す。
(Eighth Embodiment) FIG. 9 is a perspective view showing an eighth embodiment of the present invention and shows a basic configuration of an example in which the present invention is applied to a vibration angular velocity meter.

【0092】Ni−Cr合金からなる直方体振動子70
1の一つの側面に、Ta層及びPt層からなる下部電極
702をスパッタリングにより形成し、この下部電極7
02の表面に、チタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜70
3を電気機械変換素子として形成する。振動子701自
体をグランド電極として使い、チタン酸ジルコン酸鉛膜
703上にスパッタリング法により、振動子軸方向に三
分割された上部電極703を形成する。中央の電極70
3bが駆動用に、両側の電極703a,703cが検出
用に使用される。
A rectangular parallelepiped vibrator 70 made of Ni-Cr alloy
A lower electrode 702 composed of a Ta layer and a Pt layer is formed on one side surface of No. 1 by sputtering.
On the surface of 02, a thin film 70 made of lead zirconate titanate
3 is formed as an electromechanical conversion element. Using the vibrator 701 itself as a ground electrode, an upper electrode 703 divided in three in the vibrator axial direction is formed on the lead zirconate titanate film 703 by a sputtering method. Center electrode 70
3b is used for driving, and the electrodes 703a and 703c on both sides are used for detection.

【0093】振動子701の振動子軸方向に垂直な断面
は、駆動方向とコリオリ力方向の共振周波数を合わせる
ために略正方形となっている。圧電素子703の形成条
件は第1の実施形態と同様である。また、電極702に
対して、配線用の銅箔を接合するために、電極と銅箔と
の間にはんだ箔を挟み、加圧した状態でリフロー式はん
だ付け炉中で400℃の熱処理を行った。ポーリング
は、第1実施形態と同様に大気中で行った。
The cross section of the vibrator 701 perpendicular to the vibrator axis direction is substantially square in order to match the resonance frequencies in the driving direction and the Coriolis force direction. The conditions for forming the piezoelectric element 703 are the same as those in the first embodiment. Further, in order to join a copper foil for wiring to the electrode 702, a solder foil is sandwiched between the electrode and the copper foil, and heat treatment is performed at 400 ° C. in a reflow soldering furnace under pressure. It was The polling was performed in the atmosphere as in the first embodiment.

【0094】図10は、図9に示した圧電振動角速度計
の動作原理を示すものである。駆動用電極703aに振
動子701の共振周波数に近い交流電圧を印加すると、
図10−1に示すように、振動子701は無拘束条件で
振動し、振動の節点701を境に振動子の中央部分と端
部は反対向きの速度を有する。このとき、振動子701
軸回りに回転が生じると、図10−2に示すように、速
度の方向が反対であるため、振動の接点を境に反対の向
きにコリオリ力を生じる。この力により、図10−3に
示すように、振動子701は電極面内方向で屈曲する。
FIG. 10 shows the operating principle of the piezoelectric vibration angular velocity meter shown in FIG. When an AC voltage close to the resonance frequency of the vibrator 701 is applied to the driving electrode 703a,
As shown in FIG. 10A, the vibrator 701 vibrates under an unconstrained condition, and the center portion and the end portion of the vibrator have opposite velocities with respect to the vibration node 701. At this time, the oscillator 701
When the rotation about the axis occurs, as shown in FIG. 10-2, since the directions of the speeds are opposite to each other, the Coriolis force is generated in the opposite direction with the contact point of the vibration as a boundary. This force causes the vibrator 701 to bend in the in-plane direction of the electrode as shown in FIG. 10-3.

【0095】外側の二つの検出用電極703a,703
cには、駆動信号(10−1)に起因する圧電信号とコ
リオリ力による変形(10−3)に起因する圧電信号と
が同時に発生する。このうち、コリオリ力に起因する圧
電信号は、二つの電極間で略位相が反対になる。これ
は、例えば、図10−3に示した変形状態では、電極7
03a側には圧縮応力が、電極703b側には引張応力
が作用することになり、二つの電極間で常に応力の符号
が異なるからである。
Two outer detection electrodes 703a, 703
In c, a piezoelectric signal caused by the drive signal (10-1) and a piezoelectric signal caused by the deformation (10-3) due to the Coriolis force are simultaneously generated. Among them, the piezoelectric signals due to the Coriolis force have substantially opposite phases between the two electrodes. For example, in the deformed state shown in FIG.
This is because compressive stress acts on the 03a side and tensile stress acts on the electrode 703b side, and the signs of the stress are always different between the two electrodes.

【0096】一方、駆動に起因する圧電信号は、両電極
間でほぼ同じであるため、両電極から差動信号をとれ
ば、ほぼコリオリ力に起因する圧電信号のみを得ること
ができる。振動子701の断面を正方形として、コリオ
リ力方向と駆動方向の共振周波数を合わせてあるため、
検出用電極703a,703cからの出力を帰還すれ
ば、簡単な発振回路で振動子701を共振周波数付近で
駆動することができる。
On the other hand, since the piezoelectric signals due to driving are almost the same between both electrodes, if differential signals are taken from both electrodes, almost only the piezoelectric signals due to Coriolis force can be obtained. Since the cross section of the oscillator 701 is square and the resonance frequencies in the Coriolis force direction and the driving direction are matched,
By feeding back the outputs from the detection electrodes 703a and 703c, the oscillator 701 can be driven in the vicinity of the resonance frequency with a simple oscillation circuit.

【0097】したがって、コリオリ力に基づく振動も共
振状態となり、検出感度が向上する。このように、二方
向の共振周波数を合わせるためには振動子701の形状
精度に対する要求は極めて高く、したがってここでも第
2実施形態及び第3実施形態と同様に圧電素子の形成後
に共振合わせのための加工を行っており、さらにそれに
よる加工歪を取るための熱処理を650℃で行った。
Therefore, the vibration due to the Coriolis force also resonates, and the detection sensitivity is improved. As described above, in order to match the resonance frequencies in the two directions, the demand for the shape accuracy of the vibrator 701 is extremely high. Therefore, similarly to the second and third embodiments, the resonance accuracy is adjusted after the piezoelectric element is formed. Was processed, and further heat treatment was performed at 650 ° C. to remove the processing strain.

【0098】ところで、振動子701は必ずしも駆動方
向とコリオリ力方向の共振周波数が一致している必要は
なく、例えば、駆動には共振状態でなくとも変位の大き
いユニモルフ型振動を使い、検出のみコリオリ力方向の
共振を使うことができる。このためには、コリオリ力方
向の共振周波数で振動子をユニモルフ駆動させればよ
い。
By the way, the oscillator 701 does not necessarily have to have the same resonance frequency in the driving direction and the Coriolis force direction. Force resonance can be used. For this purpose, the oscillator may be unimorph-driven at the resonance frequency in the Coriolis force direction.

【0099】図11は、図9に示した振動子の無拘束振
動条件を実現するための振動子の支持方法の一例を示し
たものである。振動の節点に当たる部分でシリコン系接
着剤を用いて支持台705に固定してある。また、簡便
な固定方法として、振動子全体を比較的弾性定数の低い
接着剤に埋め込むことも可能である。
FIG. 11 shows an example of a vibrator supporting method for realizing the unconstrained vibration condition of the vibrator shown in FIG. A portion corresponding to a vibration node is fixed to the support base 705 using a silicone adhesive. Further, as a simple fixing method, it is possible to embed the entire vibrator in an adhesive having a relatively low elastic constant.

【0100】[0100]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明で
は、弾性体と圧電応用素子との間に、高融点であって酸
化し難い金属,高融点の貴金属又はこれらの合金からな
る電極を配置するように構成したため、電極を高温で成
膜したり、電極を低温で成膜した後に低温で熱処理して
も、電極と圧電体層との間での物質拡散を抑制すること
ができ、圧電効果の低下や圧電素子の剥離を恐れずに充
分な熱処理を施すことが可能となった。
As described above in detail, in the present invention, an electrode made of a metal having a high melting point and difficult to oxidize, a noble metal having a high melting point, or an alloy thereof is provided between the elastic body and the piezoelectric application element. Since it is configured to be arranged, even if the electrode is formed at a high temperature, or even if the electrode is formed at a low temperature and then heat-treated at a low temperature, it is possible to suppress substance diffusion between the electrode and the piezoelectric layer, It became possible to perform a sufficient heat treatment without fear of a decrease in the piezoelectric effect and peeling of the piezoelectric element.

【0101】また、電極と圧電体層との間における物質
拡散の抑制により、圧電に必要な結晶層の生成を充分に
図ることが可能となり、圧電効果を最大限に引き出すこ
とができるようになった。
Further, by suppressing the substance diffusion between the electrode and the piezoelectric layer, it becomes possible to sufficiently produce the crystal layer necessary for the piezoelectric, and it is possible to maximize the piezoelectric effect. It was

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明にかかる圧電応用素子を超音波アクチュ
エータに適用した第1実施形態を示す分解斜視図であ
る。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment in which a piezoelectric application element according to the present invention is applied to an ultrasonic actuator.

【図2】第1実施形態の超音波アクチュエータの平面図
である。
FIG. 2 is a plan view of the ultrasonic actuator according to the first embodiment.

【図3】本発明にかかる圧電応用素子を超音波アクチュ
エータに適用した第2実施形態を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment in which a piezoelectric application element according to the present invention is applied to an ultrasonic actuator.

【図4】本発明の第3実施形態の構成を示す斜視図であ
る。
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第4実施形態の構成を示す説明図であ
る。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration of a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第5実施形態を示す分解斜視図であ
る。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing a fifth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第6実施形態を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing a sixth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第7実施形態を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a seventh embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第8実施形態を示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing an eighth embodiment of the present invention.

【図10】図9に示した圧電振動角速度計の動作原理を
示すものである。
10 shows the operating principle of the piezoelectric vibration angular velocity meter shown in FIG.

【図11】図9に示した振動子の無拘束振動条件を実現
するための振動子の支持方法の一例を示したものであ
る。
11 shows an example of a method of supporting a vibrator for realizing the unconstrained vibration condition of the vibrator shown in FIG.

【図12】成膜温度又は熱処理温度の違いに基づいた結
晶構造の違いの一例を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing an example of a difference in crystal structure based on a difference in film formation temperature or heat treatment temperature.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ロータ部材 2 摺動材 3 弾性体 3a 凸部 4 圧電素子層 5a 下部電極 5b 上部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 rotor member 2 sliding material 3 elastic body 3a convex portion 4 piezoelectric element layer 5a lower electrode 5b upper electrode

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 薄膜形成技術により電気機械変換素子が
表面に形成された弾性体を備える圧電応用素子であっ
て、 前記弾性体と前記電気機械変換素子との間に、高融点で
あって酸化し難い金属,高融点の貴金属又はこれらの合
金からなる電極を配置したことを特徴とする圧電応用素
子。
1. A piezoelectric application element comprising an elastic body having an electromechanical conversion element formed on a surface thereof by a thin film forming technique, wherein the elastic body and the electromechanical conversion element have a high melting point and are oxidized. A piezoelectric application element characterized in that an electrode made of a difficult-to-use metal, a high melting point noble metal, or an alloy thereof is arranged.
【請求項2】 請求項1に記載された圧電応用素子にお
いて、 前記圧電応用素子は、振動アクチュエータであることを
特徴とする圧電応用素子。
2. The piezoelectric application element according to claim 1, wherein the piezoelectric application element is a vibration actuator.
【請求項3】 請求項1に記載された圧電応用素子にお
いて、 前記圧電応用素子は、圧電アクチュエータであることを
特徴とする圧電応用素子。
3. The piezoelectric application element according to claim 1, wherein the piezoelectric application element is a piezoelectric actuator.
【請求項4】 請求項1に記載された圧電応用素子にお
いて、 前記圧電応用素子は、メカニカルフィルタであることを
特徴とする圧電応用素子。
4. The piezoelectric application element according to claim 1, wherein the piezoelectric application element is a mechanical filter.
【請求項5】 請求項1に記載された圧電応用素子にお
いて、 前記圧電応用素子は、ジャイロであることを特徴とする
圧電応用素子。
5. The piezoelectric application element according to claim 1, wherein the piezoelectric application element is a gyro.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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